鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)在納米金剛石彈性研究方面取得重要進(jìn)展，揭示了納米金剛石尺寸依賴(lài)彈性軟化的原子尺度機(jī)制。相關(guān)成果以“Subsurface Driven Size-Dependent Elasticity in Nanodiamond”為題，發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Physical Review X上。鄭州大學(xué)張家奇教授為論文第一作者，程少博教授和單崇新教授為論文通訊作者，鄭州大學(xué)為第一完成單位和通訊作者單位。
金剛石因兼具超高硬度、優(yōu)異熱導(dǎo)率和寬禁帶等突出特性，在超精密加工、熱管理、量子器件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。長(zhǎng)期以來(lái)，金剛石一直被視為典型的高硬度脆性材料，其塊體通常只能承受極小的彈性應(yīng)變，超過(guò)極限后便容易發(fā)生脆性斷裂。然而，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)尺寸進(jìn)入納米尺度后，金剛石能夠表現(xiàn)出遠(yuǎn)超塊體的可逆彈性變形能力。這一反常現(xiàn)象背后的原子尺度物理機(jī)制，一直是該領(lǐng)域關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。
納米金剛石楊氏模量隨尺寸的變化曲線及表面/亞表面的電子分布模擬圖
針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的原位透射電子顯微鏡納米力學(xué)測(cè)試方法，結(jié)合第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，系統(tǒng)研究了納米金剛石的尺寸依賴(lài)彈性行為。研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒尺寸由約13nm減小至約4nm，其有效軸向楊氏模量由約1000 GPa單調(diào)降低至約700 GPa，表現(xiàn)出顯著的尺寸依賴(lài)軟化現(xiàn)象。進(jìn)一步研究表明，這種剛度降低并非來(lái)自通常人們認(rèn)為的最外層表面原子的軟化。相反，最外層表面原子層仍保持較強(qiáng)成鍵，真正主導(dǎo)納米金剛石彈性變化的，是位于表面與晶體內(nèi)核之間的亞表層界面區(qū)域。在這一過(guò)渡區(qū)域中，表面與內(nèi)核之間的連接鍵被拉長(zhǎng)、局域電荷密度降低，從而形成了力學(xué)上更為柔順的界面層。該區(qū)域在受力過(guò)程中更容易發(fā)生應(yīng)變集中，并能夠容納更大的可逆形變，因此成為納米金剛石高彈性的重要結(jié)構(gòu)來(lái)源。
這一成果打破了人們對(duì)金剛石“既硬又脆”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，揭示了決定納米金剛石彈性行為的關(guān)鍵并不只是表面本身，而是一個(gè)此前容易被忽視的亞表層界面。該發(fā)現(xiàn)不僅為理解脆性材料在納米尺度下為何能夠表現(xiàn)出高彈性提供了新的物理圖景，也為通過(guò)界面調(diào)控實(shí)現(xiàn)納米材料剛度設(shè)計(jì)提供了新的思路，有望為納米機(jī)械諧振器、量子器件和熱輸運(yùn)器件等研究提供新的設(shè)計(jì)原則。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、河南省自然科學(xué)基金以及鄭州大學(xué)高層次人才經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目資助。
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